Space debris detection for mega constellation satellites: Terahertz-band integrated sensing and communication approach
Uzay enkazı tespiti için mega takımyıldızı uydularında terahertz bandında tümleşik algılama ve haberleşme yaklaşımı
- Tez No: 864159
- Danışmanlar: PROF. DR. GÜNEŞ ZEYNEP KARABULUT KURT
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 81
Özet
Hiç kuşku yok ki 6G ve ötesi haberleşme sistemlerinin taleplerini karşılamak için gözümüzü gökyüzünden ayırmamamız gerekiyor. Uydu malzemelerinin ve fırlatma mekanizmalarının maliyetlerinin gittikçe azalması ve yaygınlaşması nedeniyle uzay çalışmalarındaki hız katlanarak artmaktadır. 2030'a kadar uzaydaki uydu sayısının dört kat daha artacağı öngörülmektedir. 6G'ye doğru ilerlerken, birincil hedeflerden biri olan küresel kapsama, karasal olmayan ağlar (non-terrestrial networks, NTNs) sayesinde mümkün hale gelmiştir. Uydular, yüksek irtifa platformları (High altitude platforms, HAPs) ve insansız hava araçlarını bünyesinde bulunduran NTNs, sisteme kattıkları üç boyutlu hızlı dağıtım ve esneklik yeteneği ile şehirden uzak ve kırsal alanlara yüksek bant genişlikli, düşük gecikmeli ve güvenilir servis imkanı sağlamaktadır. NTN'lerin üst uç birimi olan mega takımyıldız uyduları (mega constellation satellites), operasyonları etkin bir şekilde yönetebilmeleri ve ilk elden hizmet verebilmeleri dolayısıyla“her zaman ve her yerde kesintisiz bağlantı”hedefine ulaşmak için endüstride ve akademide önemli bir çözüm önerisi haline gelmiştir. Öte yandan, irili ufaklı milyonlarca uzay enkazı parçasının varlığı, özellikle çok sayıda küçük uydudan oluşan alçak yörünge uzay haberleşme sistemleri için tehdit oluşturmaktadır. Son zamanlarda, uydu arızalarından dolayı operasyon duraksamaları ve hatta uzay enkazının neden olduğu çarpışmaları ile ilgili raporların sayısındaki artış dikkat çekmektedir. Literatürde Kessler Sendromu olarak bilinen, uzay enkazının belirli bir seviyeyi geçtiğinde zincirleme kazaların meydana gelip yeni uzay enkazlarının oluşumunun tetikleneceğine dair senaryo bu durumun vehametini göstermektedir. Bu nedenle, uzay enkazını kontrol altına almak ileriki teknolojiler için sürdürülebilir bir uzay ortamını oluşturmak için oldukça önemlidir. Uzay ajanslarının öncülüğünde ekosistemdeki birçok kuruluş enkaz oluşumunu aza indirmek için büyük bir efor sarfetmektedir. Sürdürülebilir uzay ortamını oluşturmaya yönelik çalışmalar önleme ve hafifletme olmak üzere iki farklı başlıkta incelenebilir. Önleme çalışmaları uydunun yörüngeye ulaşmasıyla görevini tamamlayan uzay mekiğinin atmosfere yeniden sokulması ve benzeri çalışmaları kapsarken, hafifletme uygulamalarının öncül çalışmaları uzay enkazının tespiti üzerinde yoğunlaşmıştır. Uzay enkazını izlemek için gelişmiş yer tabanlı radar sistemleri mevcut olmasına karşın, yüksek frekans bantlarının kullanımını sınırlayan menzil kaygısı nedeniyle küçük boyutlu uzay enkazını tespit etme yetenekleri mevcut değildir. Yere konumlandırılmış optik sistemler ise hem hava şartlarına bağlı olmaları hem de hedef takip problemleri nedeniyle ihtiyacı tam anlamıyla karşılayamamaktadır. Öte yandan, uyduda konumlandırılmış radarlar uzay enkazına daha yakın konumda olmaları dolayısıyla menzil çekinceleri olmadığı için frekans bandı açısından herhangi bir sınırlamaya tabi değildir. Bu durum uyduda konumlandırılmış radarları küçük boyuttaki uzay enkazını tespit etmek için güçlü bir aday haline getirmektedir. Bununla birlikte, zaten kalabalık olan uzayda enkaz tespiti için uydu konuşlandırmak, finansal ve operasyonel olarak uygulanabilir değildir. Bu tez kapsamında uzay enkazı tespiti, THz bandında uydulararası tümleşik algılama ve haberleşme (Integrated Sensing and Communication, ISAC) konsepti ile incelenmiştir. Uzay enkazı tespitinin hem haberleşme hem de radar uygulamasının aynı dalga biçiminde gerçekleştirilmesi, sisteme maliyet ve ağırlık açısından ek bir yük getirmemekle birlikte, spektrum verimliliğini de arttırmaktadır. Uygulamalarının yaygınlaşmasındaki en büyük zorluklarından biri olan moleküler soğurma uzayda bulunmadığı için uydular arası bağlantılarda (Inter-Satellite Links, ISLs) sıklıkla önerilen THz bandı milimetre ölçeğindeki uzay enkazının dahi tespit edilmesini mümkün kılar. Ayrıca, THz bandının sahip olduğu büyük bantgenişliği radar uygulamaları için oldukça avantajlıdır. Uzay enkazı tespiti için mega takımyılızı uydularda THz bandında ISAC uygulamasına özel olarak tasarlanmış darbeli doğrusal frekans modüleli (pulsed Linear Frequency Modulated, pulsed LFM) dalga formu önerilmiştir. Bu dalga formu artan ve azalan cıvıltı (chirp) sinyallerinin birleştirilmesiyle oluşturulmuş olup, sadece artan ve sadece azalan cıvıltı sinyallerinin range–Doppler coupling kaynaklanan hareketli hedefi tespit etmekteki belirsizlik giderilmiştir. Dalga formu üretilen işaret bitmeden yankı işaretinin geleceği şekilde kurgulandığından radar çerçevesinden bakıldığında sürekli dalga özelliği gösterirken bit düzeyinde çeşitliliğin sağlanması için haberleşme gözünden darbeli sinyal özelliği gösterecek şekilde tasarlanmıştır. Bit çeşitliliği artan ve azalan cıvıltı sinyallerinin sıralamasındaki farklılık ile sağlanmıştır. Dalga formu tasarlanırken hem haberleşme hem de radar uygulamalarındaki gereksinimlere dikkat edilmiştir. Örneğin, ISL'lerdeki yüksek verim (throughput) ihtiyacını karşılamak için güç yükseltecinin lineer bölgede çalışması gerekmektedir. THz bandında güç kısıtları göz önünde bulundurulduğunda nispeten düşük tepe ortalama güç oranına (peak-to-average-power ratio, PAPR) sahip cıvıltı sinyali seçilerek güç verimliliğinin sağlanmıştır. Ayrıca sistemde radar ve haberleşme için benzer bloklar kullanılarak ekstra bir maliyet gerektirmeden mega takımyıldız uydularının işbirlikli olarak algılama ve çift yönlü iletişimine olanak veren bir yapı oluşturulmuştur. Tasarlanan dalga formunun radar performans parametresi olan belirsizlik fonksiyonu (ambiguity function) çıkarılmıştır. Ardından MATLAB'de gerçekleştirilen Monte Carlo simülasyonları ile tasarlanan dalga formunun işaret gürültü oranına (Signal-to-Noise Ratio, SNR) bağlı hız ve mesafe tahmini performansı ve bit hata oranı (Bit error rate, BER) performansı incelenmiştir. Hız ve mesafe tahmini performansında artan ve azalan cıvıltı sinyalinin birleştirilmesiyle mesafe-doppler birleşiminin (range-doppler coupling) ortadan kaldırıldığı gözlenmiştir. Radar performansı incelenirken sadece doğruluk değil, tespit performansı ve yanlış alarm oranı da göz önünde bulundurulmalıdır. Bu nedenle tez kapsamında sabit yanlış alarm oranı (constant false alarm rate, CFAR) uygulanmıştır. Sabit yanlış alarm oranında gürültü gücü tahmin edilip bir ölçekleme faktörüyle çarpılarak bir eşik değeri belirlenir. Alınan sinyal gücü bu eşik değerinin altında ise hız ve mesafe tespiti yapılmamıştır. Ölçekleme faktörü on üzeri eksi dokuz olarak belirlenen yanlış alarm olasılığı (Probability of false alarm, PFA) için Neyman-Pearson karar kuralı kullanarak belirlenmiştir. Sonuçlardan da görüldüğü gibi SNR değeri 15 dB'ye geldiğinde radar performansında plato gözlemlenmiştir. Bunun nedeni, 15 dB'ye değerinden önce gelen yansımalarının belli bir kısmının eşik değerinin altında kalmasıdır. Uzay çöpü ve uydu arasındaki maksimum mesafe 500 metre olarak alındığından sintilasyon etkisi ihmal edilebileceği varsayımına dayanarak uydu-uzay çöpü arasındaki kanal toplanır beyaz Gauss gürültüsü (Additive White Gaussian Noise, AWGN) olarak modellenirken takım yıldızı uyduları arasındaki kanal sintilasyon etkilerinden dolayı K=10 Rician dağılımı ile modellenmiştir. Bir bitin cıvıltı sinyalinde taşınması kanal kodlama etkisi yarattığından iki dalga formu arasındaki karşılaştırmanın net bir şekilde yapılabilmesi için SNR, cıvıltı sinyalinin uzunluğuna göre normalize edilmiştir. Sonuçlar, önerilen şemanın 0 dB bölgesinden sonra BER performansının her adımda katlanarak arttığını göstermektedir. Dechirping yöntemi uyumlu süzgeçe (matched filter) göre daha düşük örnekleme hızıyla çalışsa da benzer başarım göstermiştir. Bununla birlikte, dechirping yönteminin düşük SNR'daki performans düşüşü root-MUSIC algoritması ile dengelenmiştir.
Özet (Çeviri)
There is no doubt that we need to keep our eyes on the sky as satellite networks are instrumental to satisfy the demands of 6G and beyond communications systems. The global coverage, which is one of the primary objectives of 6G, has become feasible thanks to non-terrestrial networks (NTNs). Mega constellation satellites have gained a significant role in industry and academia as they can effectively manage to direct operations and provide first-hand services to achieve seamless connectivity anytime and anywhere. On the other hand, the existence of millions of space debris pieces, large or small, poses a threat to the new space communications systems which consist of large number of small satellites, especially in the low-orbit. Recently, there has been a surge in reports concerning satellite malfunctions and even collisions caused by space debris. Therefore, regulating the level of space debris is crucial to maintaining a sustainable space environment. Research studies on managing space debris for sustainable space can be divided into two main groups: prevention and mitigation. While the prevention studies mainly cover re-orbiting aircraft into the atmosphere, the mitigation studies require that the space debris needs to be detected first. Although advanced ground-based radar systems are available for space debris monitoring, their ability to detect small-sized space debris is restricted due to range concerns that limit the use of high frequency bands. On the other hand, space-born radars are strong candidates for detecting small space debris since there is no limitation in terms of frequency. However, deploying a considerable number of satellites for space debris detection in an already crowded space is neither financially nor operationally feasible. In this thesis, an integrated sensing and communication (ISAC) mechanism operating at Terahertz (THz) band is proposed for space debris detection and wireless communication over low-orbit inter-satellite links (ISLs). Examination of space debris detection with ISAC ensures that there is no additional burden on the system in terms of cost and weight, as well as performing both communication and radar processing in the same waveform guarantees spectrum efficiency. Furthermore, this thesis utilizes THz band to detect even millimeter-scale space debris. THz band is heavily used in ISLs since the molecular absorption loss, the biggest challenge of THz, is eliminated in space. In the first part of the thesis, a pulsed linear frequency modulated (LFM) ISAC waveform designed to detect space debris in the THz band is proposed. Initially, the ambiguity function of the proposed waveform is derived. Then, the velocity and range estimation performance for the radar function and the bit error rate performance for the communication function are investigated. Simulation results indicate significant performance gains in the THz-bands compared to the legacy LFM systems.The echo from space debris can either reach the same satellite or bounce off in a different direction. Therefore, another satellite may likely receive the echo due to the dense structure of mega-constellations. In the second part of the thesis, performing space debris detection in cooperation with the satellites is proposed by embedding the identity of the satellite into the waveform.
Benzer Tezler
- Analysis of signal processing algorithms for detection of human vital signs using uwb radar
Hayati bulguların geniş bantlı radar sistemleri ile tespitinde kullanılan sinyal işleme algoritmalarının analizi
CANSU EREN
Doktora
İngilizce
2024
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİletişim Sistemleri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MESUT KARTAL
PROF. DR. SAEİD KARAMZADEH
- Yenilikçi bir arama kurtarma sisteminde veri iletişimi için algoritma geliştirme ortamı
Algorithm developing environment for data transferring in an innovative research and rescue system
ECE İLKNUR ÖZDEMİR
Yüksek Lisans
Türkçe
2007
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FİLİZ GÜNEŞ
- Yüksek mekansal çözünürlüklü uydu/uçak platformlu görüntüler ve CBS teknolojisi kullanılarak Van-Erciş depremi sonrası bina hasar tespiti
Determination of building damage after Van-Ercis earthquake by using very high resolution satellite/aircraft platforms and GIS technology
ASLI SABUNCU
Doktora
Türkçe
2018
Jeodezi ve Fotogrametriİstanbul Teknik ÜniversitesiGeomatik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYŞE FİLİZ SUNAR
- Körfezlerdeki su kalitesinin uydu görüntü verileri yardımıyla incelenmesi
The Evaluation of water-quality in the bays by satellite images
FİLİZ SUNAR
- The Space debris: İnitial evaluation and status report
Uzay kirlenmesi: Başlangıç değerleri ve durum raporu
SEÇİL AKDAĞ
Yüksek Lisans
İngilizce
1998
Fizik ve Fizik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HALİL KIRBIYIK